FPGA超聲相控陣高壓發射精確延時設計

鄧鷹飛，劉桂雄，唐文明

（1.梧州學院，廣西 梧州 543002；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

FPGA超聲相控陣高壓發射精確延時設計

鄧鷹飛1，劉桂雄2，唐文明2

（1.梧州學院，廣西 梧州 543002；2.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東 廣州 510640）

針對超聲相控陣高壓發射精確延時的關鍵技術，利用普通電壓升壓產生高壓脈沖（負脈沖）發射，設計一種高壓發射電路的精確延時電路。通過分析二極管高壓鉗位、相控陣發射聚焦、高壓發射模塊電路原理，應用FPGA軟件聚焦方式改善發射電壓、聚焦延時、上升脈沖等性能指標。FPGA仿真結果表明：鉗位電路可對幅值為-100V的原始發射信號進行穩定鉗位，發射脈沖上升時間約10ns，可明顯改善發射信號的精確性和準確度。

超聲相控陣；高壓發射；精確延時；FPGA

0 引 言

超聲相控陣技術是一種通過對超聲陣列換能器中各陣元進行相位延時控制，獲得靈活可控的合成波束以及隨意控制聚焦點的位置，以實現動態聚焦、高速掃查、扇形掃描、可檢測復雜形狀物體的無損檢測技術[1]。超聲相控陣高壓精確延時發射技術是超聲相控陣儀器開發的核心與難點，國內外學者在超聲相控陣發射精確延時聚焦方面開展很多有益研究[2-4]。王君琳等[5]提出一種計算相位差方法，可實時顯示相位差變化，將穩定后相位差作為相控陣聚焦系統各發射陣元的初始相位，實現在預定位置的相控式高強度超聲聚焦；Cruza等[6]應用動態聚焦技術，實現超聲相控陣的精密聚焦延時；劉桂雄等[7-8]采用多級半帶濾波器，在100 MHz采樣率條件下已實現1.25ns延時精度，最大能減少21.4%運算量，在超聲相控陣精確延時聚集方面已取得重大突破。以上研究均從軟件算法方面進行技術處理，實現精確延時聚焦，基本未考慮信號的脈沖發射電壓強度。從硬件電路上解決信號精確延時，關鍵在于解決激勵陣元的脈沖發射電壓強度，它直接影響回波信號的強弱、檢測深度。國外一些研究表明，超聲相控陣發射電壓可達到50～200 V[9-10]，文獻[11]基于高集成度超聲相控發射電路的設計，利用FPGA內部鎖相環的倍頻、移相技術取代延時線，從提高電路集成度方面實現高壓精確發射。PA2000型超聲相控陣儀器基于高壓聚焦原理，利用普通電壓升壓產生高壓脈沖（負脈沖）發射，其發射電壓高達上千伏，實現高壓發射精確延時，并廣泛應用于工業無損檢測中。本文基于PA2000型超聲相控陣儀器，設計一種高壓發射精確延時電路，利用二極管高壓鉗位和FPGA軟件聚焦方式改善發射電壓、聚焦延時、上升脈沖等性能指標，進一步改善發射信號的準確性、準確度。

1 超聲相控陣高壓發射聚焦原理

超聲相控陣技術采用陣列形式探頭，各晶片激勵均由軟件控制，可發出一系列脈寬相同、相位不同的發射脈沖實現激勵。壓電復合晶片受激勵后通過延時可聚焦于一點，產生超聲波束。聲束的參數均通過軟件調整，不同脈沖最終聚焦于一點。

圖1為超聲相控陣儀器硬件系統框圖，該系統由保護電路、前置放大、調理電路、轉換電路、緩沖器、A/D轉換電路、相位控制卡、超聲激勵電路等構成。超聲相控陣激勵的核心是換能器的電源激勵，激勵信號波形和功率直接影響整個硬件電路性能。由于壓電傳感器輸出阻抗相當大，需要高電壓（幾十伏到幾千伏）激勵才能產生機械振動，從而發出聲波并輸出微弱信號。發射電路部分利用普通電壓升壓產生高壓脈沖（負脈沖），以滿足激勵高壓的要求，從而實現高壓發射。

圖1 超聲相控陣硬件系統框圖

圖2為超聲相控陣發射聚焦原理圖，利用聲波干涉原理，通過對不同陣元施加相位不同的發射脈沖信號，不同相位聲波在不同位置疊加，從而產生超聲聚焦。陣元越多、掃查線數越多，聚焦效果越好，故設計時常采用多陣元組合工作，發射、接收時相鄰一組陣元同時工作，如果兩束聲波同時到達一點，則這兩束波形在該點疊加，形成焦點。為實現不同中心陣元的波束在焦點聚焦，須精確控制聲束通過每個陣元的時間，即聚焦延時。

圖2 超聲相控陣發射聚焦原理圖

2 高壓發射精確延時電路設計

2.1 高壓鉗位

超聲相控陣二極管加電阻鉗位電路能實現超聲相控陣信號的鉗位處理，使信號處于穩定、安全范圍。圖3為超聲相控陣二極管高壓鉗位電路原理圖。具體為：1）初始時刻周期脈沖信號uo（0+）=+E，uo產生一個幅值為E的正跳變；2）在0～t1之間，D1導通，C充電電流很大，電容電壓uc很快達到+E，使uo=0；3）t1時刻，ui（t1）=0，uo=-E；4）在t1～t2之間，D1截止，C通過R放電（R取值很大），uc下降很慢，uo變化小；5）t2時刻，ui（t2）=+E，uo=+E；6）在t2～t3之間，D2導通，C重新充電，與0～t1間不同，C貯有大量電荷，充電持續時間更短，uo更迅速地降低到零。

圖3 二極管高壓鉗位電路

二極管鉗位電路由兩個二極管反向并聯構成。工作時一只二極管導通而另一只截止，此時二級管正反壓降被鉗制在正向導通壓降0.7V，通過兩只二極管使鉗位電壓控制在-1.4 V左右。輸出信號頂部被限定在0.7V，故該電路稱為零電平正峰鉗位電路。若將二極管反接，可將輸出脈沖信號的底部鉗位在-0.7V，形成零電平負峰鉗位電路。200Ω電阻作為限流器，起保護二極管的作用。

為實現高壓鉗位，系統只要選擇不同的耐壓二極管就可對不同電壓幅值的負脈沖進行鉗位。本設計采用二極管鉗位-100V，且-100V脈沖可調節，并加于接收回路，通過改變發射脈沖的相位、脈寬、幅值，通過FPGA控制-100 V脈沖的發射和聚焦延時發射相位，達到精確延時的效果。圖4為超聲相控陣二極管高壓發射脈沖、鉗位實測波形。

圖4 超聲相控陣二極管高壓發射脈沖、鉗位實測波形

2.2 發射聚焦

圖5 超聲相控陣發射聚焦Modelsim仿真

為驗證高精準超聲相控陣高壓發射延時聚焦，設置晶片數為9片，晶片距離為0.1 mm，聲速為5 920m/s（鋼），波束采用自動發射聚焦、掃描，采用fs=200 MHz時鐘控制發射脈沖，發射聚焦脈沖波形由FPGA發出數字0，1實現，精度由時鐘決定，通過采用雙數據速率輸入輸出DDRIO作為時鐘倍增器，等效于400MHz發射時鐘（周期T=2.5ns），實現波束2.5s延時。圖5為超聲相控陣發射聚焦Modelsim仿真結果，故脈沖延時最小可達2.5ns，所有脈沖同時到達焦點P的時間越準確，越能更好滿足干涉條件，則聚焦效果越好。

2.3 高壓發射電路模塊

圖6為高壓發射電路，其中電容C10起關鍵作用，利用其兩端電壓不會突變的原理，在TX_CHA和TX_CHB產生一個2.5V（由FPGA控制）脈沖，分別通過R1、C1和R2、C2進行RC濾波整形，消除脈沖信號干擾。預處理后的信號通過ADP3624驅動器實現高電流、雙通道高速驅動。該驅動器可驅動兩個獨立的N、P溝道功率MOSFET，改善高速開關性能，使系統可靠性更高。該驅動器采用+5V、-5V供電，電源引腳均通過1μF電容進行電源濾波。驅動器輸出信號經R5、C7、R6、C8進行RC濾波整形再經圖中Q3、Q4（N溝道、Q溝道MOSFET）形成推挽電路，使得響應速度更快，驅動器和底部的TX_100V引腳可提供C10電容兩端瞬時-100V脈沖電勢差，并通過二極管電路進行脈沖處理，最后輸出-100 V脈沖電壓。電容C10充放電數學表達式為

圖6 高壓發射電路原理圖

為模擬超聲相控陣發射電路的電壓脈沖效果，通過FPGA仿真產生2.5V脈沖CMOS電壓，經發射電路產生-100 V電脈沖信號，并利用示波器分析發射脈沖的上升時間，圖7為電容放電脈沖波形。可知發射脈沖上升時間約10ns，滿足設計要求。

圖7 電容放電脈沖波形

3 結束語

1）應用超聲相控陣高壓發射聚焦原理，利用普通電壓升壓產生高壓脈沖（負脈沖）發射，滿足高壓激勵探頭要求，實現超聲相控陣高壓發射。

2）二極管加電阻鉗位電路可對超聲相控陣信號-100V電脈沖實現鉗位，通過改變-100V脈沖的相位、脈寬、幅值、脈沖重復頻率，達到高壓發射聚焦目的；采樣FPGA控制發射脈沖的相位、脈寬，能達到準確2.5ns延時。

3）FPGA仿真結果表明，鉗位電路可對幅值為-100V的發射信號進行穩定鉗位，送往接收電路，使得發射脈沖的上升時間約10ns，可明顯改善發射信號的精確性和準確度。

[1]馬建設，李合銀，程雪岷，等.嵌入式自動聚焦攝像模組控制系統的設計[J].光學精密工程，2012，20（10）：2222-2227.

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Design of high voltage and accurate delay transmission circuit in ultrasonic phased array based on FPGA

DENG Yingfei1，LIU Guixiong2，TANG Wenming2
（1.Wuzhou University，Wuzhou 543002，China；2.School of Mechanical and Automotive Engineering，South China University of Technology，Guangzhou 510640，China）

The key of ultrasonic phased array is launching high voltage and precision delay. Generating high voltage pulse（negative pulse）with a normal voltage，we design a high voltage transmission circuit of precision delay.Through analyzing the diode voltage clamp，phased array focused，and high voltage transmitter module principle，we had gotten use of programming FPGA to improve the emission voltage，focused delay，and pulse.The results of FPGA simulation show that:the clamp circuit can clamp the original signal of-100 V，the rise time of pulse is less than 10ns.The accuracy of emission signals can be a significantly improved.

ultrasonic phased array；high voltage clamp；accurate delay；FPGA

A

：1674-5124（2015）05-0083-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2015.05.021

2015-01-28；

：2015-02-25

國家重大科學儀器設備開發專項（2013YQ230575）

鄧鷹飛（1979-），女，廣西南寧市人，講師，碩士，主要從事現代檢測技術與應用研究。